新能源热，助力柔性直流输电技术

电力18讯：    11月29日，中国电力科学研究院研制的我国首套柔性直流关键设备，通过上海市电力公司组织的出厂试验验收，即将运往上海南汇风电场柔性直流输电示范工程现场。在新能源发展日益加快的背景下，柔性直流输电前景广阔。

　　王彦

　　中国电科院的贺之渊博士拿着一张图表，准备向笔者介绍柔性直流输电。

　　奇怪的是，这张图表似乎与柔性直流输电无关。图表上画着中国地图，地图上的江苏、甘肃等地标为蓝色，写着“风电场”；浙江、福建等地标为紫色，写着“海岛供电”；上海、大连等地标为橙色，写着“城市供电”。

　　这些都是柔性直流输电能够做的事情，贺之渊说。随着中国柔性直流输电技术研究及设备制造瓶颈全部被突破，“十二五”期间，柔性直流输电的应用预计将大大增加。

　　发展新能源

　　需要柔性直流输电

　　对于国内所有研究柔性直流输电技术的人来说，12月是令人兴奋的一个月。一个原因是，上海南汇风电场柔性直流输电示范工程建设接近尾声，意味着拥有自主知识产权的技术和设备即将成功应用；另一个原因，也是更为重要的原因是，“十二五”新能源的大发展，将带“火”柔性直流输电。

　　此前不久，国家明确了七大战略性新兴产业，其中包括新能源。这标志着在“十二五”期间，风电、太阳能光伏发电等新能源产业的发展，将获得更多财税金融等政策性支持，迎来加速发展的契机。

　　以风电为例。10月13日发布的《中国风电发展报告2010》显示，2009年全国新增风电装机容量1380万千瓦，全球排名第一，累计装机容量世界第二；2010年，全球每3台新安装的风电机组，就有一台在中国；未来几年，我国风电仍有可能以每年1000万千瓦以上的新增装机速度发展，并于2015年达到9000万~1亿千瓦。

　　但是，新能源发电往往表现出不稳定性、分散性、小型化、远离负荷中心等特点，使得采用一般输电技术联网极不经济。据中国电科院副总工程师、直流输电专家汤广福介绍，制约新能源发展的瓶颈主要是并网问题，风能、太阳能发电明显的间歇性和不确定性，容易引发谐波污染、电压闪变等，导致电能质量低，无法保证电网安全。

　　国家能源局的一位官员表示，国家将在“十二五”期间重点解决大型风电基地等可再生能源基地并网瓶颈问题。

　　为解决新能源并网问题，世界各国进行了多种尝试。汤广福表示，现在看来，柔性直流输电是保证新能源接入的最好方式之一，甚至在很多场合下是唯一选择。

　　已有成功经验证明这一点。1999年6月，瑞典哥特兰岛柔性直流输电工程投入运行。该系统将纳斯风电场的电能送到维斯比市。工程运行经验表明，柔性直流输电与交流输电并联运行很好地解决了三大问题：减弱了功率变化对交流电网造成的压力，使交流电网更易于监测；减少了电压变化对敏感负荷的影响，随着风电功率的增加，电压质量得到明显改善；实现了灵活快速地控制潮流，减少线路损耗，有助于实现调度自动化。

　　柔性直流输电

　　能做什么

　　为什么柔性直流输电能够解决新能源并网问题？

　　贺之渊认为，原因是其可控性较好、运行方式灵活，能够减少系统短路容量，提高电能质量。使用柔性直流输电技术，就仿佛在输送线路中增加了一个“等效电容”，可以在一定程度上确保功率的稳定输送。

　　贺之渊说：“设想有一条大河，自然状态下，水流的流量只受最初的地理环境影响；如果在河道上建了一个水库，人们就可以随意控制下游水流的流量了。柔性直流输电技术相较普通的直流输电技术，就好像在河道上建立了一个水库，使人们更自由地控制输电线路的电流大小和输送状态。”

　　柔性直流输电最突出的技术特点是采用了全控型的电力电子器件IGBT。与采用晶闸管的传统直流输电不同，柔性直流输电的系统反应速度快、可控性较好、运行方式灵活。

　　与常规交、直流输电相比，柔性直流输电能极大地减少系统短路，还能向无源电网供电，是解决大面积区域停电、实现远距离孤立送电（如海上采油平台和海上岛屿等）的有效途径。2003年，美国东北部地区发生大停电事故，电网采用的柔性直流输电系统提供了必要的电压和频率支持，帮助电网系统快速恢复了供电。

　　此外，柔性直流输电还能提高配电网电能质量，消除交流系统中的谐波污染、电压间断以及波形闪变等问题。而谐波污染、电压波形闪变等，恰恰是风电、光伏发电带给电网的一大难题。

　　贺之渊表示，依据当前我国的研究成果，柔性直流输电不但能促进新能源并网，系统本身也是节能环保的。柔性直流输电系统不需要滤波器，模块化程度高、附属设备少，使得设备生产制造周期大为缩减，也更易于移动、安装、调试和维护；系统的换流站体积仅为传统直流的20%，并能实现无人值守；换流站类似普通厂房，没有室外配电装置，对环境景观影响小，可比常规直流节省大量走廊用地；采用地下或海底电缆，电磁干扰小。所有这些，都使得柔性直流输电更绿色、低碳、环保。

　　有关专家估计，到2015年，世界范围内柔性直流输电工程的市场规模将达到千亿元以上。而随着新能源的快速发展和环境保护要求的提高，我国对柔性直流输电技术也表现出强劲的市场需求，预计未来5年国内市场规模在400亿元以上。

　　延伸阅读

　　柔性直流输电

　　与孤岛供电、城市供电

　　柔性直流输电技术主要受到新能源发展带动，但其发挥作用的领域不仅限于新能源并网。据了解，在孤岛供电和城市配网供电领域，柔性直流输电同样有巨大的应用潜力。

　　孤岛供电领域。我国拥有7000余个海岛，孤岛供电对缓解土地资源紧缺，充分利用资源意义重大。柔性直流输电可在保证电力系统稳定的前提下，通过环流技术将不同频率的交流电转化为直流，用于实现两个交流系统的互联；通过对自身电流的快速控制，有效限制互联系统的短路容量。另外，由于直流线路在投资、运行费用、长距离传输等方面具有优势，因此在隔海输电的情况下，技术经济指标往往优于交流输电方案。

　　城市配网供电领域。重负荷、短路电流超标、严格的环境约束是特大型城市发展面临的严峻挑战。大量电器的应用和负荷的快速增长，使城市电网增容的需求越来越强烈。柔性直流输电技术可通过快速控制有功功率和无功功率，解决电压闪变问题，改善供电的电能质量，防止敏感设备因电能质量问题造成的经济损失。柔性直流输电采用地埋式直流电缆，可以在不影响城市市容的情况下，完成城市电网的增容改造，满足城市中心的负荷需求和节能环保的要求。

　　风电场

　　并网

　　多端直

　　流互联

　　电网互联

　　/电力交易

　　特大城市

　　供电

　　海上钻井

　　平台/孤岛

　　供电

　　太阳能

　　发电并网

　　柔性直流输电应用图示。在这个设想中的典型区域，柔性直流输电广泛应用于城市供电、风电并网、海上钻井平台供电等领域。

　　进 展

　　我国柔性直流输电技术已成熟

　　王彦

　　随着我国首套柔性直流关键设备成功下线，我国已在短短几年时间内，实现了既拥有扎实的理论功底，又掌握核心技术的目标。柔性直流输电的主要研究机构――中国电科院，成为ABB、西门子之后，世界第三家同时具备试验、成套设计、生产、安装调试等全套核心竞争力的机构。

　　多位柔性直流输电技术专家表示，国家电网公司超前的战略眼光保证了这一技术早日成功落地。2006年5月，公司即瞄准柔性直流输电技术，确定了“柔性直流输电系统关键技术研究框架”。我国柔性直流输电发展序幕由此拉开。

　　中国电科院副总工程师汤广福表示，研究柔性直流输电只能依靠自力更生。“柔性直流输电技术是当今世界电力电子全控技术的制高点，是具有颠覆意义的技术革命。跨国公司对该项技术严格保密，不发表一份图纸、一张照片，不在刊物上发表学术文章，也不允许参观。对于这样的前沿科学，我们的攻关难度可想而知，唯有坚持自主创新这一条路可走。”他说。

　　依据经验，研究人员确立了前期研究――基础理论研究――核心技术研究――关键设备研制――设备批量生产的研发思路。

　　2006年12月至2007年12月，中国电科院开始前期研究及基础理论研究。科研团队研究了世界各国柔性直流输电工程的应用历史，并在仿真技术、控制保护策略等五个方面取得了重大突破，我国柔性直流输电技术理论达到国外先进水平。

　　这是极其艰苦的阶段。中国电科院的贺之渊说：“那时，我们研发团队都是年轻人，大家钻研起来一干就是十几个小时，中午吃饭还不忘互相讨论，希望碰撞出火花。那时候，谈恋爱的时间都被压缩了。”

　　2008年到2009年12月，中国电科院在继承基础理论研究的基础上，开始向柔性直流核心技术、特别是基于可关断器件的电力电子技术发起攻关。经过两年努力，完成高电压大功率可关断阀串联技术研究等十大关键技术研究，并初步完成了系统样机的研制和调试，奠定了我国在世界直流输电领域的地位。

　　2010年，样机仿真平台、工程关键设备研制及批量生产、设备试验进入实质阶段。在这关键的一年里，科研人员几乎每天加班。试验阶段，更是吃住在现场。第一代、第二代样机都是科研人员一颗螺栓一颗螺栓亲手组装的。10月27日，具有完全自主知识产权、实现100%国产化的柔性直流输电成套装备通过所有型式试验。与此同时，建立起标准化的柔性直流输电生产线，具备批量生产能力。

　　柔性直流输电发展历史

　　1990年，加拿大的一些学者提出了柔性直流输电技术（基于电压源换流器的高压直流输电技术）的概念和基本原理，旋即成为世界性研究热点。

　　1997年3月，ABB公司进行了首次柔性直流输电的工业试验，该工程位于瑞典中部的赫尔斯扬，取得了成功。

　　1999年6月，瑞典哥特兰岛的柔性直流输电工程正式投入运行。这是世界上首个商业化运行的柔性直流输电工程。

　　我国在建的柔性直流输电工程是上海南汇风电场柔性直流输电示范工程，这也是亚洲首条柔性直流输电示范工程。该工程是国家电网公司2010年智能电网建设体系的重大科技示范项目和坚强智能电网建设的第二批试点项目。工程包括两个直流换流站和8千米直流输电线路，额定运行容量为1.8万千瓦，直流额定电压为±30千伏，直流额定电流为300安，预计2011年年初带电运行。

　　截至2010年11月底，世界范围内已投入商业运行的柔性直流工程共有11项，还有4项在建的工程。其中已经投运的工程中，有6项在欧洲，2项在大洋洲，2项在北美洲，1项在非洲，均取得了良好的运行业绩。